České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební ESB 2. Výroba, distribuce a emise chladu v budovách Část 1

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební ESB 2 Výroba, distribuce a emise chladu v budovách Část 1 Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. Katedra technických zařízení budov

2 Osnova přednášky Přednáška Chlazení 1 Úvod z historie a důvodů proč potřebujeme chladit Volba koncepce chlazení Tepelná zátěž Základy přípravy chladu Komplexní systémy chlazení zdroje chladu

3 Historický úvod Potřeba chladu historické jednotlivosti V minulosti výhradně pro potřeby uchovávání potravin (chlazení pomocí ledu). Rozvoj chladírenství - motivován potřebami potravinářského průmyslu, zejména pivovarnictví.. - kompresorová strojovna chlazení pivovaru - cca James Watt patentuje oddělený kondenzátor - oddělení dvou činností zahřívání válce s horkou parou a jeho ochlazování, při němž pára kondenzovala v každém taktu stroje, tzn. válec stále horký a kondenzátor stále studený = úspora energie = masivní rozšíření technologie 1928 Willis Haviland Carrier (tzv. otec klimatizace ) vyvinul první domovní klz jednotku Weathermaker - klimatizaci pro domácí prostředí 40. léta v USA ročně prodáno jednotek Klimatizační jednotky a tepelná čerpadla prolomily v USA hranici 6.2 miliónu prodaných jednotek

4 Proč potřebujeme chladit Potřeba chladu proč potřebujeme chlad? Nutnost výroby chladu: potravinářství - úschova potravin, surovin, přeprava potravin průmysl výrobní technologie (chlazení výrobních procesů, klimatizace) stavby pro sport a kulturu - klimatizace, výroba chladu pro ledové plochy gastro provozy - sklady potravin, technologie uchovávání potravin administrativní budovy a budovy pro bydlení: klimatizace budov (úprava přiváděného vzduchu, úprava vnitřního prostředí) chlazení technologií (komunikační zařízení, servovny) potřeba chladu pro příslušenství administrativních budov a přidružených provozů (gastro provozy, sklady)

5 Proč potřebujeme chladit Co ovlivňuje potřebu chladu v budovách? Klimatizace - systémy zajišťující tvorbu vnitřního prostředí obytných budov Měřítko a základní kriterium pro klimatizaci budov je ČLOVĚK jeho potřeby a požadavky Vnější faktory klimatické poměry (teplota, vlhkost, vítr, srážky) expozice budovy v exteriéru (orientace, terén, nadm. výška) Vnitřní prostředí Systémy TZB (koncepce zařízení, provoz) větrání a klimatizace vytápění systém MaR Vnitřní faktory člověk (věk, pohlaví, činnost, oděv..) technologie, vnitřní zařízení (zdroje škodlivin, atd.) provoz budovy Energetická náročnost Objekt architektonický koncept (tvar, členitost, prosklení, atd.) dispoziční řešení (funkce objektu, zónování)

6 Volba koncepce chlazení Rozhodovací proces volby koncepce chladícího zařízení : Je v posuzovaném prostoru nezbytně nutné chlazení? ANO NE?? využity dostupné systémy eliminace vzniku tepelných zisků?? NE ANO?? možnost alternativního způsobu chlazení?? ANO NE?? jiná alternativa?? - pasivní chlazení - ANO NE - strojní chlazení - Další parametry pro výběr chladícího zařízení : investiční a provozní náklady; požadovaný výkon zařízení, regulovatelnost, pokrytí potřeby chladu - celodenního a celoroční; vlastnosti chladiva, jeho toxicita a vhodnost použití; prostorové požadavky, dispoziční řešení objektu, umístění strojovny; provozní vlastnosti: údržba zařízení, hluk;

7 Návrh chladícího zařízení Stanovení tepelné zátěže o ČSN , 1986 Výpočet maximální tepelné zátěže se stanovuje se pro typický slunný den 21. července Podle orientace budovy (zejména prosklení) lze zvážit i jiný den hledání maxima souběhu tepelné zátěže o VDI 2078 (1992) Zjednodušená metoda o Dynamická simulace Roční průběh v dynamickém modelu Výpočet Špičková tepelná zátěž Roční průběh tepelné zátěže - analýza Příkon zařízení Čistý chladící výkon Systémové řešení Tepelné zisky + akumulace vnitřní vnější

8 Tepelná zátěž Obecný princip výpočtu tepelné zátěže Zjištění vlivu přímé a difuzní radiace vnější tepelná zátěž Zohledňujeme průsvitné a neprůsvitné obvodové konstrukce Zjištění důsledků vnitřního provozu vnitřní tepelná zátěž Zohledňujeme vnitřní produkci tepla a vlhkosti spojenou s provozem Lidé, Vybavení, Osvětlení, Technologie, další

9 Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky Okrajové podmínky - klimatická data sluneční radiace přímá sluneční radiace je způsobena přímým zářením slunce; je směrová nepřímá (difúzní) sluneční radiace - vzniká rozptylem a odrazem přímé sluneční radiace od prachových částic ve vzduchu, od větších molekul a od osluněných povrchů; je všesměrová

10 Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky Okrajové podmínky Výpočet polohy slunce Sluneční deklinace δ M je číslo měsíce (1 až 12) Měsíc Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen δ [ ] 0 11,8 20,4 23,5 20,4 11,8 0-11,8

11 Tepelná zátěž

12 Tepelná zátěž

13 Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky Okrajové podmínky INTENZITA SLUNEČNÍ RADIACE přímá sluneční radiace je působena přímým zářením slunce a je směrová nepřímá (difúzní) sluneční radiace - vzniká rozptylem a odrazem přímé sluneční radiace od prachových částic ve vzduchu, od větších molekul a od osluněných povrchů; je všesměrová Sluneční konstanta I 0 - Intenzita sluneční radiace na hranici zemské atmosféry; průměrná hodnota je 1350 W/m 2

14 Tepelná zátěž [W/m 2 ] Měsíc Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen z [-] 3,0 4,0 4,0 5,0 5,0 4,0 4,0 3,0

15 Tepelná zátěž [W/m 2 ]

16 Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky Okrajové podmínky INTENZITA DIFUSNÍ SLUNEČNÍ RADIACE [W/m 2 ] INTENZITA CELKOVÉ SLUNEČNÍ RADIACE [W/m 2 ]

17 Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky Okrajové podmínky - venkovní teplota Stanovení venkovní teploty zjednodušenou metodou [ C] Detailním výpočtem Podle typu okolních povrchů, množství zeleně, charakteru zástavby Viz emisivita a pohltivost materiálů

18 Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky Průsvitné konstrukce - Energetická bilance okna spektrum elektromagnetického záření: a) ultrafialové záření (0,2-0,4 µm) pohlceno téměř úplně plyny v atmosféře b) viditelné záření (0,4-0,7 µm) světelná energie barva závislá na vlnové délce (fialové, modrá, zelená, žlutá, oranžová, červená) c) krátkovlnné infračervené záření 0,7-3 µm lidské oko není citlivé a) + b) + c) = krátkovlnné záření d) tepelné infračervené záření > 3 µm dlouhovlnné záření sklo jej nepropouští

19 Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky Prostup tepla Oknem Stěnou střední těžká lehká t r rovnocenná sluneční teplota venkovního vzduchu [ C] t rm průměrná rovnocenná sluneční teplota vzduchu za 24 hodin [ C] t ry rovnocenná sluneční teplota v době o y dřívější [ C] Sluneční radiace Přímé difúzní záření [W] [W] Ohřívá povrchy stavební konstrukce, zařízení Do vzduchu se dostává se zpožděním konvekcí.

20 Vnitřní tepelné zisky Osoby Tepelná zátěž Vybavení elektronická zařízení (kancelářské vybavení), provozní vybavení (přístroje), aj. Současnost chodu, doba provozu, Osvětlení uvážit pouze osvětlení, které bude při posuzovaném slunečném dni skutečně v provozu Převážně sdílené konvekcí Teplo z výpočetní techniky Teplo z lokálních svítidel Teplo z osvětlení Teplo, vodní pára z lidí Teplo z ostatních zařízení Sdílení tepla s sousedícími prostory

21 Tepelná zátěž Obecný princip výpočtu tepelné zátěže Pro stanovení návrhového chladícího výkonu hledáme špičkovou kombinaci vnitřní a vnější tepelné zátěže. Nesmíme pominout rozložení zátěže v návrhovém dni Tepelné zisky, chladící výkon [kw] :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Prosklené konstrukce Neprůsvitné konstrukce Infiltrace Osvětlení Osoby

22 Tepelná zátěž Obecný princip výpočtu tepelné zátěže Vhodné znát i rozložení tepelné zátěže v průběhu roku definice období s požadavkem na chlazení. Nutné mít relevantní klimatická data pro celý rok. Operativní, radiační a teplota vzduchu Venkovní teplota vzduchu Potřeba tepla na vytápění Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 Potřeba Výroba, chladu distribuce a emise chladu v budovách

23 Příprava koncepce chlazení Co je nutné zohlednit při návrhu chlazení? Požadavky prostoru: Požadavky na vnitřní prostředí chlazeného prostoru operativní teplota, rychlost vzduchu, asymetrie sálání nutnost jejich dodržení povolená míra diskomfortu Co chladíme pobytové prostředí osob, nebo technologie Tepelná zátěž návrhový extrémní stav, rozložení v čase (dni, roce)

24 Příprava koncepce chlazení Co je nutné zohlednit při návrhu chlazení? Technické požadavky : Přípojné parametry zdroje chladu elektrický příkon, potřeba tepla (absorpční systém) Prostorové požadavky umístění zdroje chladu, maření odpadního tepla Rozvod chladu jakým způsobem zajistíme jeho rozvod po objektu Centrální systém kontra lokální Vzduchotechnikou, vodním systémem, nebo jiným Sdílení chladu jakým způsobem zajistíme odvod tepelné zátěže z chlazeného prostoru

25 Příprava koncepce chlazení Výpočet chladícího výkonu zdroje chladu Maximální hodnota tepelné zátěže nutně nemusí být rovná chladícímu výkonu zařízení. Vliv masy stavebních konstrukcí a vybavení Okamžitá tepelná zátěž Průběh zátěže v lehké stavbě Průběh zátěže v středně těžké stavbě Průběh zátěže v těžké stavbě Okamžitá tepelná zátěž Konvekční složka Požadovaný chladící výkon Sálavá složka Akumulace tepla ve stavbě a vybavení Konvekční složka s časovým zpožděním

26 Příprava koncepce chlazení Výpočet chladícího výkonu zdroje chladu Maximální hodnota tepelné zátěže nutně nemusí být rovná chladícímu výkonu zařízení. Vliv aktivně akumulovaného chladu v technickém systému E Qch Qn En Ech Maximální denní spotřeba chladu výkon chladící jednotky při provozu klimatizace výkon chladící jednotky při nabíjení zásobníku akumulovaná energie v zásobníku Energie vyrobená během dne 1375 kwh 93 kw 67 kw 536 kwh 744 kwh Špičková zátěž 250 kw Qc - maximální tepelná zátěž budovy Qn noční akumulace chladu Qch přímá produkce chladu Tn - provozní doba nabíjení akumulace Tch - provozní doba zdroje chladu E = En + Ech = Qn * Tn + Qch * Tch

27 Příprava chladu základní rozdělení Základy výroby chladu umístění zdroje chladu centrální nová výstavba - administrativní celky, rekonstrukce stávajících administrativních budov v závislosti na místních podmínkách, apod.; lokální menší celky, lokální potřeba chladu u prostor se zvláštním určením, rekonstrukce objektů, adaptace stávajících prostor na nové účely; využití chladu v koncové spotřebě přímé chlazení chladivem výparník chladí přímo distribuovaný vzduch menší zařízení, lokální úprava vzduchu, VZT jednotky; nepřímé chlazení výparník chladí kapalinu distribuční medium vedené ke koncovým spotřebičům;

28 Základy výroby chladu Centrální příprava chladu - tzv. strojní chlazení Systémová běžná řešení dle procesu výroby chladu kompresní chlazení klasický zdroj chladu absorpční chlazení využití odpadního tepla Okrajová řešení: chlazení studeným vzduchem (pasivní chlazení) chlazení vodou jako chladivem a s pohonem proudem vodní páry termoelektrického chlazení s přívodem el. energie (tzv. Peltierův článek) ( využití chlazení ve výpočetní technice chlazení procesorů apod.) absorpční chladící jednotka Peltierův efekt protéká-li stejnosměrný elektrický proud z vnějšího zdroje dvěma spojenými vodiči z různých kovů pak vzniká teplotní rozdíl mezi oběma spoji, efekt závisí na druhu kovů a na jejich teplotě.

29 Příprava chladu - strojní chlazení Principiální skladba zařízení Základy výroby chladu výparník zdroj chladu - chladící jednotka - kondenzátor zisky distribuční rozvod chladu koncový spotřebič chladu obsluhovaný prostor tepelné zisky chlazení kondenzátoru Distribuční medium: chladící voda - teplotní spád 6/12; 18/25 C, pozn. nutný odvod kondenzátu z koncového spotřebiče, v závislosti na potřebě odvlhčení vzduchu vzduch - klimatizace samotné chladivo - chladivové systémy, přímé výparníky roztoky soli - nemrznoucí směs pro t < 0 C

30 Základy výroby chladu Princip zdroje chladu teoretické základy vychází ze základního termodynamického cyklu Carnotova cyklu periodicky pracující vratný cyklus mezi dvěma tepelnými lázněmi (ohřívací a chladící) s cílem zisku práce z tepla přivedeného pracovní látce 1-2 izotermická expanze ohřívací lázni je odebráno teplo q 1,2 přivedené do cyklu za konstantní teploty pracovní látky, mění Odběr tepla z okolí se její objem Účinnost cyklu: η = q Odběr tepla z okolí Dodávka tepla do okolí 1,2 q q 1,2 3,4 T = 1 T min max Dodávka tepla do okolí 2-3 adiabatická expanze pracovní látka nesdílí teplo s okolím, její teplota a tlak klesá 3-4 izotermická komprese z cyklu odchází teplo q 3,4 do chladící lázně při konstantní teplotě pracovní látky 4-1 adiabatická komprese pracovní látka nesdílí teplo s okolím, její teplota a tlak roste

31 Základy výroby chladu Parní kompresorový cyklus nejrozšířenější princip chladících zařízení pracuje na principu změny skupenství a následné komprese par chladiva a t1,2 Pro charakteristiku chladícího okruhu se používá tzv. chladící faktor (někdy nazývaný COP) vztahuje se k teplu odebranému ochlazovanému prostředí ε ch = q a 4,1 t1,2 Technická práce pro stanovení COP musí obsahovat i příkony obslužných zařízení ventilátory chladiče, oběhová čerpadla, regulace, aj. topný faktor používaný pro tepelná čerpadla se vztahuje k teplu získanému z okruhu 1-2 izoentropická komprese (K) dodává se práce a t1,2 kompresoru 2-3 izobarický odvod tepla (C) pracovní látka přes kondenzátor odvádí teplo q 2,3 3-4 škrcení adiabatický proces expanze pracovní látky 4-1 izotermicko izobarický přívod tepla pracovní látce (V) teplo q 4,1 je odebíráno okolí výparníku ε = t q a 2,3 t1,2

32 Základy výroby chladu Zdroje chladu Příklad řešení - Parní kompresorový cyklus Chlazení kondenzátoru Kompresor Zásobník chladící vody okruhu zpětného chlazení kondenzátor chlazení pomocí otevřené chladící věže + zásobník vody okruhu zpětného chlazení

33 Základy výroby chladu Absorpční chladící cyklus Principem je pohlcování par chladiva jinou látkou tzv. absorbentem, ze kterého za vyššího tlaku přiváděním tepla se chladivo opět vypuzuje. Nejpoužívanějšími pracovními dvojicemi chladiva a absorbentu jsou čpavek/voda a voda/bromid lithný (LiBr). dodávka tepla Q v V C p Q k p k dodávka el. energie N RV 1 RV 2 RV 2 RV 1 A S dodávka tepla Q 0 p 0 Q a bohatý roztok chudý roztok kapalné chladivo páry chladiva S výparník A absorber C kondenzátor V varník T

34 Základy výroby chladu Absorpční chladící cyklus Principem je pohlcování par chladiva jinou látkou tzv. absorbentem, ze kterého za vyššího tlaku přiváděním tepla se chladivo opět vypuzuje. Nejpoužívanějšími pracovními dvojicemi chladiva a absorbentu jsou čpavek/voda a voda/bromid lithný (LiBr). dodávka tepla Q v V dodávka el. energie N RV 1 RV 2 odvod tepla A Q a C S bohatý roztok chudý roztok Q k odvod tepla dodávka tepla Q 0 p kapalné chladivo páry chladiva odpařené chladivo o počátečním tlaku p 0 přechází do absorberu A je absorbováno absorbentem teplota těsně pod bodem varu téměř nasycená kapalina, proto se z absorberu A odvádí teplo Q a. důsledkem absorpce je tzv. bohatý roztok, čerpadlo Č o příkonu N č jej dopravuje do varníku V za současného zvýšení tlaku na p k. do varníku V přivedeme tepelný tok Q v, kterým je bohatý roztok uveden do varu. chladivo se z roztoku vyloučí a chudý roztok se vrací přes redukční ventil RV 1 zpět do absorberu A. vyloučené páry chladiva se odvádí do kondenzátoru C, kde odvedením tepla Q k zkapalní a přes škrtící ventil RV 2 odvede zpět do výparníku S.

35 Lokální systémy chlazení Lokální příprava chladu - pro klimatizaci obytných budov a lokální chlazení (servovny, telekomunikační zařízení např. vysílače mobilních operátorů) okenní kompaktní klimatizátory (doplňková klimatizace místností) samostatné kondenzační jednotky (variabilní koncový spotřebič chladu) mobilní klimatizátory (doplňkové provizorní řešení)

36 Lokální systémy chlazení Lokální příprava chladu klimatizační jednotky typu "SPLIT " (klimatizace místností, kondenzační jednotka umístěna mimo objekt ve venkovním prostředí) " SPLIT " jednotky s vodou chlazeným kondenzátorem (klimatizace místností, kondenzační jednotka umístěna v objektu a napojena na vodovodní řad, cca 45 Kč/hod provozu) Multi-SPLIT systémy Kondenzační jednotka obsluhuje více výparníkových připojených na společném rozvodu pracovního média kompresorového okruhu

37 Centrální systémy chlazení Systém chlazení pokrývající potřebu chladu v budově se skládá z několika částí: zdroje chladu rozvodu chladu k jednotlivým koncovým zařízením zabezpečovacího zařízení koncových odběrných zařízení zařízení chladící kondenzátor zdroje chladu okruh distribučního media okruh chladiva okruh chladící vody

38 Centrální systémy chlazení Zdroje chladu Kompresní chladící zařízení obvykle se dělí podle způsobu chlazení kondenzátoru s přímým chlazením kondenzátoru venkovní jednotky, u kterých je kondenzátor chlazen venkovním vzduchem s vodou chlazeným kondenzátorem kapalinový okruh (směs vody a nemrznoucí směsi) mezi kondenzátorem a vnějším chladícím zařízením s externím kondenzátorem podobně jako u split systémů, je kondenzátor vyveden mimo jednotku do venkovního prostředí

39 Centrální systémy chlazení Zdroje chladu Absorpční chladící zařízení vyžaduje tepelný tok o vysokém potenciálu podle kombinace absorbentu a chladiva je teplota media dodávající teplo většinou nad 100 C využití místě s možností využití levné tepelné energie - průmyslová pára, odpadní teplo, sluneční energie apod.; využití tepla a tepelných zisků z technologií v letním období; významné využití u tzv. trigenerace (kombinovaná výroba tepla, chladu a el. energie pomocí klasické kogenerační jednotky - CHCP); požadavek na hospodárnost provozu - cena tepla / cena el. energie < 0,14 Kogenerační jednotka El. energie U T T V Tepelná energie Spotřebič chladu Absorpční jednotka Chladič kondensátoru

40 Centrální systémy chlazení Strojovna chladu řešení dle uspořádání zdroje chladu volné jednotlivé části systému odděleny kompaktní systémová řešení (chillery výrobníky studené vody) umístění zajistit výměnu zařízení, montáž suterén nutné zajistit externí chlazení kondenzátoru, zajistit větrání v případě havárie a úniku chladiva nesmí sdílet prostor s jiným systémem (například VZT) střecha únosnost střešní konstrukce obtěžování hlukem do okolí přímé chlazení kondenzátoru strojovna chladu - suterén objektu chladič - mimo objekt, střecha Chladící výkon [W] CHLADIČ SPOTŘEBIČ CHLADU ZDROJ CHLADU Půdorysná plocha [m2]

41 Centrální systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Systémy zpětného chlazení otevřené chladiče chladící věže uzavřené chladiče chladící okruh proudí přes vzduchem chlazený výměník chladící bazény a) pomocí chladící věže b) pomocí chladícího bazénu c) vzduchový chladič

42 Centrální systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Chladící věže schéma zapojení otevřené chladící věže chladicí voda kondenzátoru je rozprašována do proudu chladícího vzduchu 1. Chladící věž 2. Čerpadla 3. Dodávka doplňkové vody 6. Filtr 15. Zásobní nádrž 16. Úprava vody 17. Místo chlazení kondenzátoru

43 Centrální systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Chladící věže schéma zapojení uzavřené chladící věže se skrápěným výměníkem vodou skrápěný vzduchem chlazený výměník, kterým proudí chladící okruh kondenzátoru - Intenzivnější odvod tepla z mokrého výměníku - skrápění vodou, odpar vodní páry Převzato z webu firmy Chladicí věže Praha

44 Centrální systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Suché chladiče Klady: kompaktní systémové řešení prostorová nenáročnost jednoduchá údržba široká variabilita kondenzátor chlazený vzduchem Zápory: hlučnost nutnost venkovní část opatřit protimrazovou ochranou zajistit odtok kondenzátu oběhová čerpadla

45 Děkuji za pozornost Daniel Adamovský ČVUT Fsv, katedra TZB